水位影响泥炭沼泽土壤有机碳分解的生物化学机制研究进展

水位影响泥炭沼泽土壤有机碳分解的生物化学机制研究进展

秦智

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摘要：啤酒占地球表面的3%，但其碳储量估计为530至1055 gt它们约占全球陆地碳储量的30%。啤酒对气候变化和人类活动最为敏感，在保持全球碳平衡和调节区域气候方面发挥着重要的催化作用。水文条件是湿地生态系统中最重要的环境因素，影响着碳进出口的平衡，决定了碳循环关键过程的作用机制和强度。自然泥炭沼泽的滞水条件限制植物残体很难被微生物完全分解，进而积累了大量的有机碳（ＳＯＣ），使其成为大气ＣＯ２的吸收“汇”和ＣＨ４的排放“源”。然而，水位下降加速了土壤ＳＯＣ的快速分解，降低其碳储量，并可能进一步影响全球气候变暖进程。长期排水作用会改变地表植被类型，使得形成泥炭的物质主要来源由藓类植物被灌木／乔木所取代，并直接或者间接地影响植被对ＣＯ２的固定与释放过程，影响生态系统ＳＯＣ的输入。此外，ＳＯＣ分解改变了泥炭的水理性质，导致容重增加、孔隙度和水力传导率降低、地下水位波动更大，这势必会影响泥炭沼泽ＳＯＣ的存储与分解过程，并使得严重退化泥炭沼泽的复湿可能在几十年内也无法恢复其自然状态下的生态功能。

关键词：水位影响；泥炭沼泽；有机碳分解；生物化学；

引言

泥炭沼泽中具有低pH和高含水量的介质，有机物分解率低，具有坚实的碳汇能力，为陆地生态系统提供了重要的碳储备。但是，由于气候变化和人类活动的影响，全球11%的泥炭沼泽正在退化，碳汇功能正在下降。水文条件是排水泥炭沼泽恢复过程中最重要的环境因素，决定了碳循环各核心过程的作用机理和强度。植物覆盖物的变化可以直观地显示退化泥炭沼泽的恢复效果，但不适合显示短时间的恢复效果。土壤酶活性表征了土壤综合肥力特性和土壤养分转化过程，对环境变化更加敏感，是各种生化反应的催化剂。因此，土壤酶活性和其他土壤理化指标可以作为衡量泥炭湿地恢复过程的敏感指标。

1水位对泥炭沼泽ＳＯＣ循环的影响

1.1对土壤ＳＯＣ组分的影响

长期排水造成的泥炭地表层空气退化导致SOC层质量下降，容易分解的SOC层在土壤中所占比例下降，难以分解的SOC层所占比例增加。对雨水和森林泥炭地的研究表明，长期排水大大降低了基质的可得性和质量，限制了土壤微生物的生长，从而降低了土壤微生物的碳含量。研究表明，泥炭地排水导致水位下降，土壤SOC氧化迅速分解，从而增加了可溶解有机碳的排放生态系统，减少了泥炭地的碳储量。现有研究表明，水位波动、干旱、含氧量，气温和植被的变化是影响泥炭堆积的主要因素。排水/干旱效应通过增加酚醛氧化物的活性促进苯丙胺的分解，从而减少泥炭沼泽土壤中的苯丙胺含量。然而，最近的研究表明，水位下降增加了胁迫植物，从而增加了泥炭沼泽和孔隙水中的苯酚含量。显然，泥炭饼在应对环境变化方面是复杂的，它对水位变化的反应取决于持续时间和土地使用等因素。

1.2有机硫基团对ＤＯＭ氧化还原能力影响的可能机制

在操作系统取样点，由于煤泥坑中硫酸硫的浓度一般较低，无机硫可能微不足道，因此可以假定大部分硫处于有机状态的粘土土壤中。因此，本研究使用一个C/S系数来表示来自不同来源的DOM中的硫变化。在5-50厘米的多孔车削轮廓中，溶解阶段的总硫含量为75-500 μm ol/l，平均值为173μmol/l。在深度近30厘米的轮廓中，C/S比率为34-50；在50厘米深的剖面中，C/S比率为18。在0-210厘米的型材中，总硫含量随深度的增加而增加。泥炭孔隙剖面溶解阶段的含硫总量在340-1000 μm ol/l之间，平均浓度为620 μm mol/l。计算出的C/S比从18厘米提高到210厘米。

2泥炭沼泽土壤ＳＯＣ分解的生物化学机制

2.1水位恢复对土壤理化性质的影响

在本研究中，流域地下水位明显低于自然地区，流域土壤含水量也明显低于自然地区。有氧土壤条件下，土壤有机质分解、氮有机质矿化硝化、硝酸盐氮淋浴导致土壤氧化，导致流域土壤pH降低，符合本研究中自然区和流域土壤PH 0 ~ 20cm的变化规律。自然地区长期处于淹水状态，形成缺氧环境，抑制微生物活性，抑制有机物分解，自然地区表层土壤的SOC含量明显高于合流地区。排水后泥炭沼泽的总氮含量略有增加，可能是因为不同植物落下的水量不同。恢复区的水位明显高于排水区，但仍低于自然区。在本研究中，恢复区I沟渠屏障距离很小，但水位恢复效果与恢复区II差别不大，可能与两者之间的相对垂直差异有关。水位升高后，缺氧环境重新形成，限制有机碳的分解，与排水区相比，恢复区土壤二中SOC含量呈上升趋势。恢复区表土总氮、总磷含量高于排水区。土壤pH升高和无定形铁增加被认为是提高土壤持磷能力和减少土壤磷释放的主要原因。本研究表明，恢复区土壤ph值为0 ~ 20cm，排水区土壤ph值为4.7 ~ 5.0cm，排水区土壤ph值为4.6cm。此外，蕨菜、狼草等沼泽开始高于草本植物叶片的TN、TP含量高于灌木植物的恢复区表面。增加乳制品的养分也是增加土壤有机碳和养分含量的重要因素。第二区土壤有机碳和养分含量的恢复呈上升趋势，但土壤养分含量对水位恢复的反应滞后。

2.2冻融交替作用对土壤活性有机碳、氮的影响

土壤有机质的微生物转化和代谢活动在反映土壤微生物分解和使用有机物的水平上提供土壤的DOC和donation。在高度集中的环境中，多氯二苯并对二恶英和多氯二苯并呋喃的结存数量增加，浓度下降，这表明短期结存过程有利于多氯二苯并对二恶英和多氯二苯并呋喃释放到土壤中。研究表明，冻结过程可以改变土壤团聚的大小和稳定性。冻结开始时，冰晶在土壤孔隙中的膨胀破坏了颗粒之间的联系，破坏了大型聚集，释放了小的有机分子，而冻结的交替对微生物产生了灭绝作用，从而减少了土壤中微生物的数量，导致微生物死亡。在分解菌的作用下，死去的微生物释放出分子糖和氨基酸，从而增加土壤中的DOC和DON含量。与此同时，大规模解冻作用对团聚体的分裂作用更强，释放的小分子速度更快。

2.3“酶锁”机制

土壤中的氧化物被认为是啤酒中碳循环的关键。然而，由于ph值低、温度低和旅游沼泽中的氧气含量低，阻碍了苯酚的活性和苯酚的分解率，导致苯酚在厌氧啤酒中积累与此同时，苯酚类物质可通过减少微生物进入基质的机会、限制微生物的代谢和降低其信仰含量，限制SOC的分解。土壤酶活性极低是造成SOC在潮汐环境中分解率低的一个重要原因，导致大量SOC在泥炭砖中积累，这种机制被称为SOC在泥炭砖中分解的酶锁机制泥炭沼泽水位下降，氧气含量增加，有助于氧化物的活性，并通过激活酶锁刺激纤维素化合物的降解。

结束语

根据“酶锁”机制，排水作用会增强氧化酶和水解酶酶活性。然而近期有关排水及干旱对酶活性的影响的相反的研究结果，使得排水究竟能否打开泥炭沼泽“酶锁”存在不确定性。在泥炭沼泽水位变化过程中，有关氧化酶及水解酶活性是否会对其做出可预测的反应仍然存在争议。除Ｏ２外，是否存在其他竞争或混杂机制影响“酶锁”机制在泥炭沼泽碳循环过程中发挥作用，需要进一步探索未来气候变化背景下氧化酶⁃酚类物质⁃水解酶活性之间的作用机制。

参考文献

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